膜蒸馏技术研究进展
武汉科技大学 范宝安 高彦丽 防化指挥工程学院 石文平
目前对分离膜还没有一个精确、完整的定义，一般性的定义为两相之间的选择性屏障，它以微孔过滤的形式限
制物质在膜两侧的质量传递。膜的厚度从几微米（甚至1/10微米）到几毫米。膜分离方法是指利用天然或人工制
备的无机膜或有机膜，在外界能量或化学位差的推动下，对双组分或多组分溶液进行分离、分级、提纯的方法。膜
分离方法具有高效、节能、工艺简便、投资少、污染小等优点。
膜蒸馏（Membrane Distillation，简称MD）过程是传热与传质耦合在一起的过程，并且这两种传递过程都分
别由边界层内的传递和跨膜传递两部分构成，因此传热和传质关系比较复杂。同其他的分离过程相比，膜蒸馏具有
截留率高（若膜不被润湿，截留率可达100%）；操作温度比传统的蒸馏操作低得多，可有效利用地热、工业余热等
廉价能源，降低能耗；操作压力较其他膜分离低；能够处理其他膜分离过程（如反渗透等）不能处理的高浓度废水。
目前膜蒸馏技术尚未被商家普遍接受而进入工业应用阶段，主要是膜蒸馏技术的研究尚需要在以下几方面取得
突破：研制出价格低、通量大，耐用性好的MD用膜，尤其是中空纤维膜；设计出传热、传质性能优良的膜组件；
解决MD过程中的膜污染和膜润湿问题；提高热量利用率，降低膜蒸馏过程的能耗。
1． 膜蒸馏的应用
1.海水、苦咸水脱盐
研究者们对膜蒸馏用于海水、苦咸水脱盐方面进行了大量研究工作，以期与反渗透相竞争。膜蒸馏的产水质量
是其他膜过程所不能比拟的，Karakulski等将不同的造水膜过程进行了对比：超滤能脱除悬浮物和胶体，纳滤可
完全除掉水中的有机碳，硬度可降低60%～87%，反渗透可将总固溶物截留99.7%；质量最好的水是由膜蒸馏制备，
产水的电导可达到0.8?滋s/cm，固溶物质量分率达6×10-6。但目前尚无性能良好的专用膜蒸馏分离膜，使得膜
蒸馏技术在大规模海水淡化上仍难以与反渗透技术相媲美。
2.水溶液中非挥发性溶质的浓缩
膜蒸馏与其他膜过程相比，其中一个突出的优点是可以在极高的溶质浓度下运行，即可以把非挥发性溶质的水
溶液浓缩到极高的程度，甚至达到饱和状态。中科院长春应化所吴庸烈等采用自制的不对称聚偏氟乙烯膜开展了从
牛磺酸废液中回收牛磺酸的研究；重庆大学杜军等使用聚偏氟乙烯微孔膜，以减压膜蒸馏法对含铬离子水溶液进行
了浓缩；Tomaszewskat利用直接接触式膜蒸馏浓缩纯化氟硅酸、柠檬酸和硫酸等酸溶液，对柠檬酸和硫酸的截留
率接近100%，对氟硅酸可将浓度从2%浓缩至35%，且发现对非挥发性酸的膜蒸馏过程类似于盐溶液的膜蒸馏过程；
Rincon等用直接接触式膜蒸馏浓缩甘醇类水溶液，截留率亦接近100%；膜蒸馏技术用于浓缩果汁等液体食品加工
过程中，具有保持食物原有的色、香、味和营养不被破坏等优点，但上述工作大多仍处在实验室研究阶段。
3.水溶液中挥发性有机物溶质的脱除
膜蒸馏用于脱除挥发性有机物的研究已有很多，如从水溶液中脱除甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮、氯仿、甲基异
丁基酮以及卤代挥发性有机化合物，同时脱除丙酮、乙醇和丁醇等。采用膜蒸馏处理恒沸混合物，可打破固有的气、
液平衡关系，得到较好的分离，如甲酸/水恒沸混合物的分离、丙酸/水恒沸混合物的分离等。
4.废水处理
膜蒸馏在废水处理方面应用前景广阔。Zakrzewska等经研究发现，膜蒸馏在处理低放射性废水方面具有突出
优点，能够将放射性废水浓缩至很小的体积，并具有极高的截留率，很容易达到排放标准。Cryta等采用超滤膜蒸
馏集成处理含油的废水，经超滤得到的渗透液含油量小于5mg/L ，再将超滤得到的渗透液经膜蒸馏进一步净化，
可以将油全部除去，另外可去除水中99.5%的有机物和99.9%的溶质。江苏省微生物研究所沈志松等采用减压膜蒸
馏处理丙烯腈工业废水，可以达到国家颁布的丙烯腈污水排放控制要求；Banat等人采用PP管状膜组件对含亚甲
基蓝的废水作为料液进行了真空膜蒸馏处理也取得了良好的效果。
2． 膜蒸馏的发展趋势
近年来，膜蒸馏过程的研究备受业界关注，并在对机理的数学描述、膜蒸馏组件的优化设计等方面取得了阶段
性成果，但在工业化应用方面，尚存在如下亟待解决的几个问题。
（1）研制分离性能好、价格低廉的膜，以提高MD在实际应用中的竞争力。
（2）完善MD分离机理模型。对MD的过程机理虽然已有许多研究和解释，但模型中一般包含大量需经实验测
定的参数，通过性和可靠性较差。
（3）提高热利用率。热效率是MD的一个重要技术经济指标，热效率低是影响MD大规模工业应用的主要因素。
因此，如何减少MD中的热损失，提高热效率是值得研究的一个课题。
（4）扩展应用范围。目前MD的应用主要还在于水溶液的分离和浓缩，对恒沸物分离方面的应用研究还不多。
特别是对有机溶剂混合物的分离更少，这是MD可以研究发展的一个大领域，也是决定MD可否替代常规蒸馏的关键。
（5）过程集成。MD可与其他的分离过程相结合，以提高分离效率。如反应与蒸馏的集成，渗透蒸发与膜蒸馏
的结合等。
随着膜材料的开发和制膜工艺的进步，疏水膜的性能将进一步提高而其成本会继续下降，膜蒸馏分离技术将得
到更快的发展，其应用领域也将越来越广，尤其是在食品、医药和废水处理中的应用将发挥越来越重要的作用。
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膜蒸馏技术发展历程
膜蒸馏作为一种新型的分离技术，是以疏水性微孔膜两侧蒸汽压差为传质推动力的膜分离过程。并具有以下特
征：膜是微孔膜；膜不能被所处理的液体浸润；膜孔内无毛细管冷凝现象发生；只有蒸汽能通过膜孔传质；膜不能
改变操作液体中各组分的汽液平衡；膜至少有一侧要与操作液体直接接触；对每一组分而言，膜操作的推动力是该
组分的气相分压梯度。
膜分离现象在大自然特别是在生物体内广泛存在。但人类对它的认识、利用、模拟以及人工合成的过程却是极
其漫长而曲折的。1748年，诺来特(Nollet)就发现了水自发通过猪膀胱而扩散到酒精中的渗透现象。19世纪中叶，
Graham发现了透析现象。1864年，特劳贝(Traube)成功制成人类历史上第一片人造膜亚铁氰化铜膜。但直到1960
年洛布(Loeb)和索利拉金(Souriraja)才成功制备出了具有商业价值的醋酸纤维素非对称(L-S)膜，奠定了制膜工业
的基础，开创了膜技术的新纪元，随后的20年则是膜技术的“黄金时代”。
20世纪80年代初，随着新的制膜技术的发展，对膜蒸馏过程的研究掀起高潮。Gore最先开发了一个卷式的膜
组件用于膜蒸馏过程；瑞典National Development公司采用板框式组件对膜蒸馏进行了研究；Enda采用中空纤维
膜组件对膜蒸馏过程进行理论性探索。与此同时人们对膜蒸馏过程的理论研究也逐步深入，如跨膜传质机理、跨膜
传热过程及温度极化现象、各种操作条件对膜蒸馏过程的影响、组件形式和结构对膜蒸馏传热、传质过程的影响等。